Antiväte

Antiväte  är en analog till väte , som består av antimateria . Medan en vanlig väteatom består av en elektron och en proton , är en antiväteatom uppbyggd av en positron och en antiproton . Forskare hoppas att studiet av antiväte kommer att bidra till att belysa varför det finns mer materia i det observerbara universum än antimateria , känt som problemet med baryonasymmetri [1] . Antiväte produceras artificiellt i partikelacceleratorer .

Experimentell historia

Högenergetiska antiväteatomer upptäcktes först vid acceleratorer på 1990-talet. ATHENA- samarbetet studerade kallt antiväte 2002. Infångningen av antiväteatomer demonstrerades först av gruppen Antihydrogen Laser Physics Apparatus ( ALPHA ) vid CERN [2] [3] 2010, som sedan mätte strukturen och andra viktiga egenskaper [4] . ALPHA, AEGIS och GBAR planerar att fortsätta kyla och studera antiväteatomer.

Mätning av 1S-2S övergångar

2016 mätte ALPHA-experimentet den elektroniska övergången mellan de två lägsta energinivåerna av antiväte, 1S-2S. Resultaten var identiska med mätningarna för väte inom experimentets upplösning, vilket bekräftar idén om materia-antimateria och CPT - symmetri [5] .

I närvaro av ett magnetfält delas 1S-2S-övergången i två hyperfina övergångar med något olika frekvenser. Teamet beräknade övergångsfrekvenserna för normalt väte utsatt för ett magnetfält i en begränsad volym som:

f dd = 2466061103064 (2) kHz f cc = 2466061707104 (2) kHz

Enkelfotonövergången mellan S-tillstånd är förbjuden av kvantselektionsregler , därför, för att överföra positroner från grundtillståndet till 2S-tillståndet, belystes ett begränsat utrymme med en laser avstämd till hälften av den beräknade övergångsfrekvensen, vilket stimulerade tillåten tvåfotonabsorption .

Antiväteatomer som exciteras till 2S-tillståndet är instabila och kan sedan övergå på ett av flera sätt till andra tillstånd:

Både jonisering och spin flip får atomen att fly från fällan. Teamet beräknade att, om man antar att antiväte beter sig som vanligt väte, skulle ungefär hälften av antiväteatomerna gå förlorade under exponering för resonansfrekvensen, jämfört med fallet utan laser. Med laserkällan avstämd till 200 kHz under halva övergångsfrekvensen var den beräknade förlusten i stort sett densamma som för fallet utan lasern.

ALPHA-teamet skapade antiväteklumpar, höll dem i 600 sekunder och minskade sedan inneslutningsfältet i 1,5 sekunder, räknade hur många antiväteatomer som förintades. De gjorde detta under tre olika experimentella förhållanden:

Två kontroller, off-resonance och ingen laser, behövdes för att säkerställa att laserstrålningen i sig inte orsakade förintelse, kanske genom att släppa ut normala atomer från ytan av det avgränsande kärlet, som sedan kunde kombineras med antivätet.

Teamet genomförde 11 lanseringar vid tre tillfällen och fann ingen signifikant skillnad mellan off-resonance och no-laser launches, men en 58% minskning av antalet händelser som upptäckts efter att resonansen hade passerat. De kunde också räkna förintelsehändelser under sessionerna och fann högre nivåer under resonansuppskjutningar, återigen utan någon signifikant skillnad mellan icke-resonanta och laserlösa uppskjutningar. Resultaten överensstämmer väl med förutsägelser baserade på normalt väte och kan "tolkas som ett test av CPT-symmetri till inom 200 ppt " [6] .

Egenskaper

CPT-satsen i partikelfysik förutspår att antiväteatomer har många av vanligt vätes egenskaper; det vill säga de har samma massa , magnetiska moment och frekvenser av övergångar mellan atomära tillstånd (se Atomspektroskopi ) [7] . Exciterade antiväteatomer förväntas till exempel avge ljus med samma frekvens som normalt väte. Antiväteatomer bör attraheras till annan materia eller antimateria gravitationsmässigt med en kraft av samma storlek som vanliga väteatomer [2] . Detta bör inte hålla om antimateria har en negativ gravitationsmassa , vilket anses extremt osannolikt, även om det ännu inte empiriskt vederlagts (se Antimateria gravitationsinteraktion ). En teoretisk modell har dock utvecklats för negativ massa och repulsiv gravitation (antigravitation) mellan materia och antimateria, och denna teori är kompatibel med CPT-satsen [8] .

När antiväte kommer i kontakt med vanligt material, förstörs dess beståndsdelar snabbt . Positronen förintas med elektronen och producerar gammastrålar . Å andra sidan är antiprotonen uppbyggd av antikvarkar som kombineras med kvarkar i neutroner eller protoner, vilket resulterar i högenergipioner som snabbt sönderfaller till myoner , neutriner , positroner och elektroner . Om antiväteatomer suspenderades i ett perfekt vakuum skulle de existera på obestämd tid.

Som ett antielement förväntas det ha samma egenskaper som väte [9] . Till exempel kommer antiväte att vara en gas under standardförhållanden och kommer att kombineras med antisyre för att bilda antivatten .

Produktion

De första antiväteatomerna genererades 1995 av ett team ledd av Walter Ohlert vid CERN [10] med en metod som var banbrytande av Charles Munger, Jr. , Stanley Brodsky och Ivan Schmidt Andrade [11] .

I LEAR - ringacceleratorn träffar antiprotoner från acceleratorn xenonkluster [12] och skapar elektron-positronpar. Antiprotoner kan fånga positroner med en sannolikhet på cirka 10 -19 , därför är denna metod enligt beräkningar inte lämplig för signifikant prestanda [13] [14] [15] . Fermilab mätte ett något annorlunda tvärsnitt [16] vilket överensstämmer med förutsägelserna av kvantelektrodynamiken [17] . Båda metoderna ledde till uppkomsten av heta (högenergi) antiatomer, olämpliga för detaljerade studier.

Därefter skapade CERN en antiprotonmoderator (AD) för att stödja ansträngningar för att skapa lågenergi-antiväte för att testa grundläggande symmetrier. AD kommer att leverera antiväte till flera grupper vid CERN. CERN förväntar sig att deras anläggningar ska kunna producera 10 miljoner antiprotoner per minut [18] .

Lågenergi antiväte

Experiment utförda av ATRAP- och ATHENA-samarbetena vid CERN lyckades kombinera positroner och antiprotoner i Penning-fällor , vilket resulterade i fusion med en typisk hastighet av 100 antiväteatomer per sekund. Antiväte producerades först 2002, först av ATHENA [19] och sedan ATRAP [20] samarbete, och 2004 hade miljoner antiväteatomer producerats. De syntetiserade atomerna hade en relativt hög temperatur (flera tusen kelviner ) och, som ett resultat, träffade de experimentella uppställningens väggar och förintades. De flesta noggrannhetstester kräver långvarig uppföljning.

ALPHA, efterföljaren till ATHENA-samarbetet, designades för att fånga antiväte på ett stabilt sätt [18] . Eftersom de är elektriskt neutrala, interagerar dess spinnmagnetiska moment med ett inhomogent magnetfält; vissa atomer kommer att attraheras till det magnetiska minimum som skapas av kombinationen av spegel- och multipolfält [21] .

I november 2010 meddelade ALPHA-samarbetet att de hade fångat 38 antiväteatomer på en sjättedel av en sekund [22] , vilket markerar den första framgången med att begränsa neutral antimateria. I juni 2011 fångade de 309 antiväteatomer, upp till 3 åt gången, i upp till 1000 sekunder [23] . De studerade sedan dess hyperfina struktur, gravitationseffekter och laddning. ALPHA kommer att fortsätta mätningarna tillsammans med ATRAP-, AEGIS- och GBAR-experimenten.

Större antimateria atomer

Större antimateriaatomer som antideuterium ( D ), antitritium ( T ), antihelium-3 ( 3He ) och antihelium-4 ( 4He ) är mycket svårare att producera. Antideuterium [24] [25] , antihelium-3 ( 3 He ) [26] [27] och antihelium-4 ( 4 He ), andra kärnor [28] skapas i så höga hastigheter att fusionen av deras motsvarande atomer skapar flera tekniska hinder.

Anteckningar

Kommentarer

Källor

  1. ↑ BBC News - Antimateria-atomer är inkapslade ännu längre Arkiverad 4 september 2017 på Wayback Machine . BBC.co.uk. Hämtad 2011-06-08.
  2. ↑ 1 2 Reich, Eugenie Samuel (2010). "Antimateria hålls för förhör." naturen . 468 (7322): 355. Bibcode : 2010Natur.468..355R . DOI : 10.1038/468355a . PMID  21085144 .
  3. ↑ eiroforum.org - CERN: Antimateria i fällan Arkiverad från originalet den 3 februari 2014. December 2011, tillgänglig 2012-06-08
  4. ↑ Inre struktur av antiväte undersökt för första gången . Physics World (7 mars 2012). Hämtad 3 juli 2021. Arkiverad från originalet 30 juli 2017.
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (19 december 2016). "Efemära antimateriaatomer fastnade i milstolpslasertest" . naturen . DOI : 10.1038/nature.2016.21193 . Arkiverad från originalet 2016-12-20 . Hämtad 20 december 2016 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
  6. ↑ Ahmadi, M (19 december 2016). "Observation av 1S–2S-övergången i fångat antiväte" (PDF) . naturen . 541 (7638): 506-510. Bibcode : 2017Natur.541..506A . DOI : 10.1038/nature21040 . PMID28005057  . _ Arkiverad (PDF) från originalet 2017-04-19 . Hämtad 2021-07-03 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
  7. ↑ Grossman, Lisa (2 juli 2010). "De coolaste antiprotonerna" . Fysisk granskning Fokus . 26 (1). Arkiverad från originalet 2010-07-04 . Hämtad 2021-07-03 . Utfasad parameter används |deadlink=( hjälp )
  8. ↑ Du. Tillämpning av den nya relativistiska kvantvågekvationen på väteatomen och dess implikationer på antimateriagravitationsexperiment . Hämtad 3 juli 2021. Arkiverad från originalet 26 april 2021.
  9. ↑ Palmer. Antiväte genomgår sin första mätning någonsin (14 mars 2012). Hämtad 3 juli 2021. Arkiverad från originalet 7 oktober 2019.
  10. ↑ Freeman . Antiatomer: Här idag. . . , Discover Magazine  (januari 1997). Arkiverad från originalet den 21 juli 2019. Hämtad 3 juli 2021.
  11. ↑ Munger, Charles T. (1994). "Produktion av relativistiska antiväteatomer genom parproduktion med positroninfångning". Fysisk granskning D. 49 : 3228-3235. Bibcode : 1994PhRvD..49.3228M . DOI : 10.1103/physrevd.49.3228 . PMID  10017318 .
  12. ↑ Baur G. et al. Produktion av antiväte  (engelska)  // Fysik Bokstäver B . - 1996. - Vol. 368 , utg. 3 . - S. 251-258 . - doi : 10.1016/0370-2693(96)00005-6 . - .
  13. ↑ Bertulani CA, Baur G. Parproduktion med atomisk skalfångst i relativistiska tunga jonkollisioner   // Braz . J. Phys. - 1988. - Vol. 18 , nr. 4 . - s. 559-573 .
  14. ↑ Bertulani CA, Baur G. Elektromagnetiska processer i relativistiska tunga jonkollisioner  //  Fysikrapporter. - 1988. - Vol. 163 , utg. 5–6 . — S. 299-408 . - doi : 10.1016/0370-1573(88)90142-1 . - .
  15. ↑ Aste A. et al. Elektromagnetisk parproduktion med Capture  (engelska)  // Physical Review A. - 1993. - Vol. 50 , iss. 5 . - P. 3980-3983 . - doi : 10.1103/PhysRevA.50.3980 . - . — PMID 9911369 .
  16. ↑ Blanford G. et al. Observation of Atomic Antihydrogen  (engelska)  // Physical Review Letters. - 1997. - Vol. 80 , iss. 14 . - P. 3037-3040 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3037 . - .
  17. ↑ Bertulani CA, Baur G. Antiväteproduktion och noggrannhet av den ekvivalenta fotonapproximationen  //  Physical Review D. - 1998. - Vol. 58 , iss. 3 . — S. 034005 . - doi : 10.1103/PhysRevD.58.034005 . - . - arXiv : hep-ph/9711273 .
  18. ↑ 1 2 Madsen N. Cold antihydrogen: a new frontier in fundamental physics  //  Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2010. - Vol. 368 , utg. 1924 _ - P. 3671-3682 . doi : 10.1098 / rsta.2010.0026 . - . — PMID 20603376 .
  19. ↑ Amoretti M. et al. =Produktion och detektion av kalla antiväteatomer   // Nature . - 2002. - Vol. 419 , utg. 6906 . - S. 456-459 . - doi : 10.1038/nature01096 . — . — PMID 12368849 .
  20. ↑ Gabrielse G. et al. Driven produktion av kallt antiväte och den första uppmätta fördelningen av antivätetillstånd   // Phys . Varv. Lett.. - 2002. - Vol. 89 , iss. 23 . — S. 233401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.89.233401 . - . — PMID 12485006 .
  21. ↑ Pritchard DE Kylning av neutrala atomer i en magnetisk fälla för precisionsspektroskopi  //  Physical Review Letters. - 1983. - Vol. 51 , iss. 15 . - P. 1336-1339 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1336 . - .
  22. ↑ Andresen G.B. et al. ( ALPHA Collaboration ) (2010). Instängt antiväte. naturen . 468 (7324): 673-676. Bibcode : 2010Natur.468..673A . DOI : 10.1038/nature09610 . PMID21085118  . _
  23. ↑ Andresen G.B. et al. ( ALPHA Collaboration ) (2011). "Inspärrning av antiväte i 1 000 sekunder". Naturfysik . 7 (7): 558-564. arXiv : 1104.4982 . Bibcode : 2011NatPh...7..558A . DOI : 10.1038/nphys2025 .
  24. ↑ Massam T. et al. Experimentell observation av antideuteronproduktion  (engelska)  // Il Nuovo Cimento. - 1965. - Vol. 39 , iss. 1 . — S. 10–14 . - doi : 10.1007/BF02814251 . - .
  25. ↑ Dorfan D.E. et al. Observation of Antideuterons  (engelska)  // Phys. Varv. Lett.. - 1965. - Vol. 14 , iss. 24 . - S. 1003-1006 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.14.1003 . - .
  26. ↑ Antipov Yu. M. et al. Observation av antihelium-3 // Kärnfysik . - 1970. - T. 12 . - S. 311 .
  27. ↑ Arsenescu R.; et al. (2003). "Antihelium-3-produktion vid bly-bly-kollisioner vid 158 A GeV/ s ". New Journal of Physics . 5 (1). Bibcode : 2003NJPh....5....1A . DOI : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
  28. ↑ Agakishiev H.; et al. (2011). "Observation av antimateria helium-4 kärnan". naturen . 473 (7347): 353-6. arXiv : 1103.3312 . Bibcode : 2011Natur.473..353S . DOI : 10.1038/nature10079 . PMID  21516103 .

Länkar